CN112647033B - 一种纯铜的加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种纯铜的加工方法，该方法包括以下步骤：将铜材置于深冷设备中进行深冷处理；对经过深冷处理的铜材进行冷挤压处理；对铜材进行回火处理。与现有技术相比，本发明通过对纯铜进行深冷挤压，深冷挤压改善了铜的组织和性能，在深冷条件下对铜材进行挤压后回火，得到纯铜的孪晶组织，其强度被显著提高，导电率与无氧高导铜相当(97％IACS)。与单纯对纯铜质的铜材进行深冷处理的工艺相比，采用深冷挤压结合的加工方式提高了深冷操作温度，有效降低对深冷设备的要求，从而降低工艺实施的难度和成本，有利于推广应用。

Description

一种纯铜的加工方法

技术领域

本发明涉及一种有色金属材料加工技术领域，尤其涉及一种纯铜的加工方法。

背景技术

金属铜由于具有较高的导电、导热性能，广泛应用于航天，高铁，汽车和电力行业。但其硬度较低，耐磨性较差，很大程度影响了产品的使用寿命。以高压开关柜为例，高压开关柜是指用于电力系统发电、输电、配电、电能转换和消耗中起通断、控制或保护等作用。高压开关柜按作电压等级在3.6kV～550kV的电器产品，高压隔离开关与接地开关、高压负荷开关、高压自动重合与分段器，高压操作机构、高压防爆配电装置和高压开关柜等几大类。目前高压开关柜的动静触头是插拔式的，如果硬度不够轻则磨损，寿命短，重则硬度不够负荷开关，关合时烧毁触头，开关柜直接爆喷，造成重大电力事故。12KV开关柜国网要求动、静触头硬度HV120。而铜材厂生产的铜材最大硬度只有HV85，配件厂家为了供货合格，表面镀的银锑合金，银锑合金电阻大于银，此种办法增加了导体的电阻，而且此种产品只是表面8μm的镀层硬度达到HV120，插拔时内软外硬会产生裂纹，减少使用寿命。随着各领域科技的发展和生产生活需要的不断提高，对高强度、高导电性纯铜的需求也越发紧迫，如何提高纯铜的硬度成为相关材料研发的重要课题。

常温下对铜材进行挤压称为冷挤压。目前，德国、日本在生产过程中大部分以锻造方法生产铜制产品或零件，采用冷挤压技术生产的约占40％。但国内冷挤压技术使用尚不普遍，主要受制于无法解决挤压过程中零件的内部裂纹和模具的快速磨损问题。冷挤压技术看似简单，实质是一种高精、高效、优质低耗的先进生产技术，与热锻，温锻技术相比，可也节约材料29％-48％，节能39％-78％。同时可也提高零件的力学性能，冷挤压后铜的冷作硬化，以及在零件内部形成合理的纤维流线分布，使零件的强度远高于原材料的强度。合理的冷挤压技术可使零件表面形成压应力而提高疲劳强度。冷挤压的材料利用率一般可达到79％以上。

对于金属的常温力学性能来说，一般是晶粒越细小，则强度和硬度越高，同时塑性和韧性也越好。这是因为，晶粒越细，塑性变形也越可分散在更多的晶粒内进行，使塑性变形越均匀，内应力集中越小；而且晶粒越细，晶界面越多，晶界越曲折；晶粒与晶粒中间犬牙交错的机会就越多，越不利于裂纹的传播和发展，彼此就越紧固，强度和韧性就越好。温度对金属电阻的影响是由于温度引起离子晶格热震动造成对电子波的散射，而使电阻率随温度升高而增加。金属中的各种缺陷造成的晶格畸变引起电子波的散射，从而影响导电性，空位、位错、间隙原子及它们的组合等晶体缺陷会使金属电阻率增加。根据马吉申定律，在极低温度下，纯金属电阻率主要是由其内部缺陷决定的。

在常规金属材料中机械性能和导电性能这两种性能往往互相抵触，不可兼得。例如纯铜具有很高的导电率，但是强度极低(小于100MPa)，铜材的强度性能与导电性能之间常常相互制约。铜排在使用过程中，为了保证具有一定的机械强度和硬度，需要使用硬态铜，但是硬态铜的电阻率却高于软态铜。在国家标准电工用铜、铝及其合金母线第1部分：铜和铜合金母线即GB/T 5585.1-2018中有明确规定，如表1所示。

表1：铜和铜合金母线的电阻率

型号	20℃直流电阻率Ω·mm<sup>2</sup>/m	导电率％IACS
			TMR、THMR	≤0.017241	≥100
TMY、THMY	≤0.01777	≥97

为了改善铜的性能，目前国内外的研究工作者进行大量的研究，现有技术中可通过多种强化手段可以提高金属的强度，如合金化(添加合金元素)，晶粒细化或加工强化，但这些强化技术往往导致金属材料电导率的大幅度降低。其原因在于这些强化技术本质是在材料中引入各种缺陷，如晶粒细化引入更多晶界，加工强化引入大量位错，这些缺陷会显著增大对电子的散射，从而降低导电性能。

发明内容

针对上述现有技术中的不足，本发明的目的在于提供一种纯铜的加工方法，可有效提高纯铜的机械性能和导电性能。

本方法是本发明人在冷挤压技术的基础上对铜材进行深冷挤压技术的研究与应用做进一步的分析而得到的。

目前深冷处理技术多用于提高发动机的使用寿命，其中对高碳钢、高速钢，工具钢、粉末冶金、硬质合金等，深冷处理效果明显。对深冷处理作用机理的认识，目前无统一说明。对有色金属进行深冷处理以改善其组织和性能，目前的公开学术成果尚不多见。有专家曾经对铸造铝合金活塞进行深冷处理，结果既改善了合金的性能，又提高了活塞的体积稳定性。

铜是面立方晶体结构的金属，其层错能较高，其形变的主要机理是滑移，一般不会产生孪生的现象，只有在低的形变温度或高的形变速率下才可能发生孪生或是在特殊条件会出现孪生，例如在4.2K或者室温下爆炸时发现过孪结晶。孪生是在切应力作用下晶体的一部分相对于另一部分的晶面与晶向产生一定角度的均匀切变过程。孪晶界是一种特殊的共晶格界，它能像常规晶格界一样有效的阻碍位错运动，但对电子的散射能力比常规晶界小一个量级。因此，如果在金属中获得高密度的孪晶界，将可能有效提高金属的强度而对其导电性能影响很小。孪晶纯铜就可实现高强度，高硬度，高导电性。

对纯铜进行深冷处理后会生成孪晶相，得到高硬度、高导电率的铜材。深冷处理开始时会导致母相的晶格畸变和内应力场增加，使得位错移动的阻力提高，需做较大的功才能促成位错移动，使纯铜的硬度得到提高。低温引起Cu原子点阵的畸变，产生内应力致使材料内部产生大量位错。此外，深冷处理使组织细化，晶界增多，从而加大对电子的散射作用，导致电阻率升高。但随着深冷时间延长，降低到-170℃，保温6h后，使溶质原子的固溶度处于较低水平，从而能降低晶体空位缺陷密度，减少了晶体空位密度缺陷对电子的散射作用，使软态纯铜导线电阻率降低5.7％，硬态导线电阻率降低4.97％。因而，随着深冷时间的延长，纯铜的电阻降低，电导率有所升高。这种深冷挤压技术的关键是深冷的温度和时间，需要通过大量的试验才能得到合理数据。温度和保温时长不同，对铜材物理结构的改变是不一样的，从而影响机械性和导电性。深冷时间与铜材导电率的关系如图1所示。

深冷处理能改变纯铜的电导率，其电导率随深冷时间的延长而增大，但达到一定时间时数值趋于平缓，当深冷处理后再经适当的时效处理电导率会显著提升。为了验证效果取纯铜导线做实验，试验结果如表2所示。

表2：纯铜导线校正后电阻值

本发明提供的一种纯铜的加工方法，包括：

将铜材置于深冷设备中进行深冷处理；

对经过深冷处理的铜材进行冷挤压处理；

对铜材进行回火处理。

对纯铜进行深冷挤压，实质上是用物理方式对纯铜进行金属相变和塑性变形，深冷挤压改善了铜的组织和性能，在深冷条件下对铜材进行挤压后回火，得到纯铜的孪晶组织，其强度被显著提高，导电率与无氧高导铜相当(97％IACS)。

优选地，在深冷处理过程中，处理温度为-50℃～-70℃，处理时间为2～6h。与单纯对纯铜质的铜材进行深冷处理的工艺相比，采用深冷挤压的加工方式处理时深冷温度可适当提高，在深冷处理温度为-50℃～-70℃，处理时间为2h～6h的条件下，经过深冷挤压的铜材其强度和导电率均显著提高。由于处理温度越低，对深冷设备的要求越高，因此提高深冷操作温度可有效降低对设备的要求，从而降低工艺实施的难度，降低工艺的实施成本，有利于推广应用。

优选地，经过深冷处理后的铜材从所述深冷设备中取出后立刻在1000吨压力机上进行冷挤压处理，使所述铜材挤压成型。铜材从深冷设备中取出后立刻进行冷挤压，此时由于刚从深冷设备中取出，铜材尚未与外部环境进行充分热交换，从而使铜材在冷挤压开始时能保持接近深冷处理时的状态，避免铜材受挤压过程中升温过高，从而有利于孪晶组织的形成，提高铜材的强度和导电率。

优选地，使挤压成型的铜材升温至室温并在室温下放置超过24h。

优选地，回火处理过程中，处理温度为80℃～120℃，保温时间为40～90min。对铜材进行回火处理，可以释放应力、增加铜材的延展性和韧性，从而可以改善纯铜的硬度和导电性能，提高耐磨性和导电率。

优选地，回火处理过程中，处理温度为100℃，保温时间为1h。

优选地，在回火处理时，先将铜材放入烘箱进行恒温处理，然后将所述铜材从烘箱中取出进行自然冷却。

优选地，在对铜材进行深冷处理前，还包括对所述铜材进行除湿、烘干的步骤。如铜材表面附着水分，在深冷时水会因低温冻结、体积膨胀，影响深冷处理效果甚至损坏深冷处理模具使操作失败。通过对铜材进行除湿和烘干，可有效对铜材表面进行清理，特别是去除铜材上的水分，保证深冷处理顺利开展。

需要说明的是，对铜材进行回火处理的步骤可以是在深冷挤压完成后，也可以是在深冷挤压进行之前。使用这两种不同的加工顺序对铜材进行加工均可以改善铜材的机械性能和电性能；不过，经过先深冷挤压并回火工艺处理的铜材比先回火深冷挤压工艺处理的铜材在屈服强度、抗拉强度方面性能更优。

与现有技术相比，本发明通过对纯铜进行深冷挤压，深冷挤压改善了铜的组织和性能，在深冷条件下对铜材进行挤压后回火，得到纯铜的孪晶组织，其强度被显著提高，导电率与无氧高导铜相当(97％IACS)。与单纯对纯铜质的铜材进行深冷处理的工艺相比，采用深冷挤压结合的加工方式提高了深冷操作温度，有效降低对深冷设备的要求，从而降低工艺实施的难度和成本，有利于推广应用。

本工艺能使铜材硬度达到HV120，采用本工艺处理后的铜材制造高压开关柜的动触头和静触头，在铜材外面再镀上纯银，完全满足国网要求。该高压开关柜的动触头和静触头电阻小，温升底，硬度提高耐磨性增强，大大提高的开关柜的使用安全系数和使用寿命。

上述技术特征可以各种适合的方式组合或由等效的技术特征来替代，只要能够达到本发明的目的。

附图说明

在下文中将基于仅为非限定性的实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。其中：

图1为深冷时间与铜材导电率的关系图；

图2为纯铜深冷前的组织结构图；

图3为纯铜深冷6小时的组织结构图；

图4为纯铜深冷挤压后1小时100℃回火后的组织结构图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本发明中的具体实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

实施例1：

本实施例提供的纯铜加工方法，包括以下步骤：

(1)将要处理的铜材进行除湿、烘干处理；

(2)将铜材置于深冷设备中，控制处理温度为-50℃～-70℃，保温时间为2h～6h，进行深冷处理；

(3)将深冷处理后的铜材从深冷设备中取出，然后立刻在1000吨压力机上挤压成型；

(4)将挤压成型后的铜材放置在空气中升温至室温并在室温状态下存放超过24小时，在此过程中应保持铜材所处的环境稳定；

(5)对铜材进行回火处理：将铜材放入100℃烘箱恒温处理1h，然后将铜件毛坯从烘箱中取出进行自然冷却。

完成上述加工步骤后，高硬度、高韧性、高导电率的铜件毛坯加工完成。

通过使用高倍电子显微镜观察，我们对铜材深冷挤压回火处理前后的内部组织结构图像做了对比，图2至图4是电镜同倍率下不同处理阶段的铜材的组织结构图，其中，图2是纯铜深冷前的组织结构图，图3是纯铜深冷6小时的组织结构图；图4是纯铜深冷挤压后1小时100℃回火后的组织结构图。从图片中看出，纯铜在经过深冷挤压再回火后，其内部组织结构更紧密，符合增强其机械性能和电气性能的内在条件。这一点，在生产实践中也得以验证，用经过深冷挤压再回火处理的铜毛坯制成的铜件，其导电率和硬度得以显著提高。

为了进一步验证上述方法的效果，对不同生产工艺制造的铜件电阻值和硬度进行了试验对比，其电阻值变化对比如表3所示，其硬度指标对比如表4所示。从表3中可以看出，经过深冷挤压并回火的工艺制造的铜件电阻值比原来铜材电阻值更小，也就是说导电性更好；从表4中可以看出，经过深冷挤压并回火的工艺制造的铜件与原来铜材相比，在屈服强度、抗拉强度方面性能更优。

表3：深冷挤压回火复合工艺处理后铜材电阻值变化对比表

表4：深冷挤压回火复合工艺处理后铜材硬度指标变化对比表

实施例2：

(1)将要处理的铜材进行除湿、烘干处理；

(2)对铜材进行回火处理：将铜材放入100℃烘箱恒温处理1h，然后将铜件毛坯从烘箱中取出进行自然冷却；

(3)将铜材置于深冷设备中，控制处理温度为-50℃～-70℃，保温时间为2h～6h，进行深冷处理；

(4)将深冷处理后的铜材从深冷设备中取出，然后立刻在1000吨压力机上挤压成型；

(5)将挤压成型后的铜材放置在空气中升温至室温并在室温状态下存放超过24小时，在此过程中应保持铜材所处的环境稳定；

为了验证上述方法的效果，对不同生产工艺制造的铜件硬度进行其硬度指标对比，如表5所示。从表5中可以看出，经过先回火后深冷挤压的工艺制造的铜材与原来铜材相比，在屈服强度、抗拉强度方面性能更优。

表5：回火深冷挤压复合工艺处理后铜材硬度指标变化对比表

对比表4和表5可以看出，经过先深冷挤压并回火工艺制造的铜件比先回火深冷挤压工艺制造的铜件在屈服强度、抗拉强度方面性能更优。

最后应说明的是：以上实施方式及实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施方式及实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施方式或实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施方式或实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种纯铜的加工方法，其特征在于，包括：

将铜材置于深冷设备中进行深冷处理，处理温度为-50℃～-70℃，保温时间为2h～6h；

经过深冷处理的铜材从深冷设备中取出后立刻进行冷挤压处理；

对铜材进行回火处理，回火处理温度为80℃～120℃，保温时间为40min～90min。

2.根据权利要求1所述的纯铜的加工方法，其特征在于，经过深冷处理后的铜材从所述深冷设备中取出后立刻在1000吨压力机上挤压成型。

3.根据权利要求1所述的纯铜的加工方法，其特征在于，回火处理过程中，处理温度为100℃，保温时间为1h。

4.根据权利要求1所述的纯铜的加工方法，其特征在于，在回火处理时，先将铜材放入烘箱进行恒温处理，然后将所述铜材从烘箱中取出进行自然冷却。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的纯铜的加工方法，其特征在于，在回火处理前，使所述铜材升温至室温并在室温下放置超过24h。

6.根据权利要求1-4中任一项所述的纯铜的加工方法，其特征在于，在对铜材进行深冷处理前，还包括对所述铜材进行除湿、烘干的步骤。

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